CC BY
33
УДК 621.45
А. И. Бодров, СМ. Вохмянин, ИЛ. Богов, Г.П. Поршнев, И.О. Стельмакова
ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКЦИИ СОЕДИНЕНИЯ ВОЗДУХОВОДА
С ПАТРУБКОМ КОМПРЕССОРА ГТЭ-160 НА СТРУКТУРУ ПОТОКА И РАБОТУ СИСТЕМЫ ПРОМЫВКИ
Проектирование, изготовление и компоновка основного оборудования газотурбинной установки (ГТУ) и блока комплексного возду-хоочистительнго устройства с трактом подвода воздуха непосредственно к всасывающему патрубку компрессора ГТУ осуществляются, как правило, различными организациями, которые используют отличающиеся друг от друга конструкции стыковочных узлов соединения элементов всего воздухоподводящего тракта, в частности узла соединения с всасывающим патрубком компрессора.
Именно этот, ближайший к компрессору, стыковочный узел представляет наибольший интерес в части возможного его влияния на течение воздуха в самом всасывающем патрубке и на работу системы промывки проточной части компрессора от загрязнения, которая располагается,
как правило, также в патрубке [1,2]. Изучению этого вопроса и посвящена настоящая статья.
Объект исследования
Исследовался всасывающий патрубок компрессора газотурбинной установки ГТЭ-160 ЛМЗ при двух различных конструкциях узла его соединения с воздуховода, показанных на рис. 1.
Узел соединения 1 — жесткий фланец, простейший по конструкции и идеальный в смысле возможного возмущающего воздействия на поток воздуха.
Другой вариант соединения, который используется в тех случаях, когда не удается обеспечить абсолютно точной стыковки поперечных сечений воздуховода и патрубка, — конструкция узла 2. Эта конструкция, более гибкая и менее требовательная к точности изготовления и мон-
Рис. 1. Исследованные конструкции узла соединения воздуховода с всасывающим патрубком компрессора
тажа, как показано на рис.1, включает гофрированный уплотняющий рукав, который крепится к швеллерам со стороны воздуховода и патрубка вдоль всего периметра поперечного сечения, козырек, обеспечивающий плавность перехода проходного сечения воздуховода в патрубок, и образуемую вышеперечисленными элементами воздушную кольцевую камеру
Размеры узла соединения 2 и патрубка: ширина и длина поперечного сечения патрубка составляют соответственно 1500 и 11100 мм; высота всасывающей камеры — 5300 мм; местное относительное уменьшение проходного сечения патрубка, вызванное выступом козырька, не превышает ~9 %; высота кольцевой камеры составляет порядка 100 мм.
Переход от жесткого фланцевого соединения к гибкому узлу соединения 2, как это будет показано ниже, заметно изменяет структуру потока воздуха в патрубке, т. е. при одинаковой конструкции собственно всасывающих патрубков «работают» они по-разному, другими словами, функционально — это два разных патрубка. Поэтому исследуемые варианты патрубков с узлами соединения 1 и 2 в дальнейшем будут коротко называться соответственно патрубками 1 и 2.
Используемые программные средства, модели, граничные условия
Расчеты течения воздуха и траекторий движения капель жидкости в патрубках производились с помощью пакета вычислительной газодинамики Fluent версии 6.3.26, реализующей решение методом контрольного объема осред-ненныхпо Рейнольдсу уравнений Навье—Сто-кса в сочетании с одной из моделей турбулентности [3].
Геометрические и сеточные модели строились с использованием программ Unigraphics NX, GAM BIT 2.3.16 и TGrid 4.0.16. Размерность сеточной модели патрубка 1 составляла примерно 1,6 млн гексагональных контрольных объемов, а патрубка 2 — порядка 2 млн.
Для обоих патрубков во входном сечении расчетной области назначались граничные условия типа Pressure Inlet со стандартными значениями по давлению и температуре торможения атмосферного воздуха. В выходном сечении — граничные условия типа Pressure Outlet с расходом воздуха 515 кг/с, соответствующим номинальному
режиму работы установки ГТЭ-160 [4]. Настенках накладывалось условие прилипания потока.
В качестве рабочего тела задавался сухой воздух со свойствами, предусмотренными программой Fluent для сжимаемого идеального газа [3].
Учет эффектов турбулентности производился с помощью двухпараметрической стандартной (к—в)-модели турбулентности со стандартными пристенными функциями.
Анализ работы системы промывки ограничивался рассмотрением только траекторий капель жидкости, что оказалось вполне достаточным для решения поставленной в данной работе задачи.
Впрыск моющей жидкости (вода) моделировался в рамках дискретно-фазовой модели Ла-гранжа. Начальные условия (в терминологии Fluent) дискретной фазы — капель жидкости — задавались характерными для систем влажной очистки проточных частей компрессоров низкого давления [1]. Скорость капель принималась равной 20 м/с, диаметр капель dK — 50 и 100 мкм, направление впрыска — по нормали к стенке.
Положения точек впрыска выбирались в местах, обычно используемых для установки форсунок при промывке компрессоров на ходу (при номинальной нагрузке или близкой к ней) [ 1,2] с учетом зон наибольшего различия в структуре потока для исследованных патрубков. Последнее обстоятельство позволило выявить предельное влияние газодинамических особенностей течения воздуха в патрубках на траектории капель.
Результаты исследования структуры потока
Результаты численного моделирования показали, что в патрубке 2 кольцевая камера и козырек вносят существенные изменения в структуру потока по сравнению с течением в патрубке 1.
На рис. 2 показаны три зоны, в которых наблюдаются наибольшие различия в структуре потока, вызванные использованием конструкции узла соединения 2.
Зона 1 охватывает часть объема патрубка, примыкающую к узлу соединения в области задней стенки. Зона 2 находится на стыке передней стенки и внутреннего конуса, зона 3 — в углах всасывающей камеры. Все зоны симметричны относительно плоскости симметрии патрубка.
На рис. 3 даны сравнительные картины линий тока воздуха в зоне 1 исследованных патрубков, где проявляется наибольшее влияние конструкции узла соединения 2 на структуру потока.
Воздух
Воздух
Зона 3
Зона 3
Зона 3
Рис. 2. Расположение зон, в которых проявляется наибольшее влияние конструкции узла соединения 2 на структуру потока
Патрубок 1 Патрубок 2
Рис. 3. Сравнительные картины линий тока воздуха в плоскости, перпендикулярной оси компрессора, на расстоянии 50 мм от задней стенки
в зоне влияния 1
а
Рис. 4. Структура потока в зоне узла соединения для патрубка 2:
— в области передней и задней стенок; б — в плоскости симметрии патрубка вблизи задней стенки
Рис. 4 наиболее полно демонстрирует сложный характер течения воздуха в области узла соединения для патрубка 2. Вблизи стенок патрубка, как задней, таки передней, нанекотором удалении от плоскости симметрии происходит подпитка кольцевой камеры воздухом (см. рис. 4, а). Далее в камере два потока идут навстречу друг другу и вытекают в виде струй вблизи плоскости симметрии, как показано, например, для задней стенки на рис. 4, б.
Со стороны передней стенки в зоне 2 (см. рис. 4, а) образуются более сложные пространственные вихри и вытекание воздуха из камеры происходит не непосредственно вдоль стенки, как это имеет место для задней стенки и изображено на рис. 4, б, а во внутрь объема патрубка, как показано на рис. 5, а, для патрубка 2. Это происходит вследствие оттесняющего эффекта со стороны двух симметричных крупных вихрей, изображенных на рис. 5, б, для патрубка 2.
а)
Неожиданно сильное влияние конструкции узла соединения 2 на характер течения воздуха было обнаружено в углах всасывающей камеры патрубка (см. рис. 2, зона 3). Как показано на рис. 6, это влияние проявилось в виде двух вих-реобразований (в каждом из углов), поднимающих вдоль боковых стенок интенсивные встречные потоки.
Таким образом, казалось бы незначительные по размерам, дополнительные особенности конструкции узла соединения 2 воздуховода с патрубком (воздушная кольцевая камера, козырек) способны существенно изменить характер течения воздуха в этом патрубке.
Анализ траекторий капель моющей жидкости
Известно, что при влажной очистке на ходу проточных частей компрессоров эффективность работы систем промывки низкого давления, в отличие от систем высокого давления, суще-
Патрубок 1 Патрубок 2
Рис. 5. Линии тока воздуха в исследованных патрубках в зоне влияния 2:
а — в плоскости симметрии; б — в плоскости, перпендикулярной оси компрессора, на расстоянии 100 мм от передней стенки
Патрубок 1
а)
Патрубок 1
Патрубок 2
Патрубок 1
Патрубок 2
Рис. 6. Линии тока воздуха в исследованных патрубках в зоне влияния 3: а — в плоскости, перпендикулярной оси компрессора и проходящей через середину всасывающей камеры патрубка; б — в аксонометрической проекции
Рис. 7. Сравнительные картины траекторий капель жидкости при впрыске из двух симметричных точек на задней стенке исследованных патрубков в зоне влияния 1
(линии тока воздуха даны в плоскости, перпендикулярной оси компрессора, на расстоянии 50 мм от задней стенки для патрубка 2)
ственно зависит от характера течения воздуха, в который производится впрыск жидкости. Поэтому расчет систем промывки низкого давления должен производиться совместно с газодинамическим расчетом потока воздуха, несущего капли жидкости.
В нашей работе проанализированы траектории капель жидкости, впрыскиваемой форсунками, которые устанавливались на задней
и передней стенках патрубка, а также на внутреннем конусе в зонах наибольшего влияния на структуру основного потока узла соединения 2 (см. рис. 2 и 3).
На рис. 7 на фоне линий тока воздуха в патрубке 2 представлены траектории капель жидкости диаметром 50 и 100 мкм, впрыскиваемых из двух симметричных точек на задней стенке в потоки, формируемые патрубками 1 и 2. На этом
Передняя стенка \
и
Патрубок 2
Рис. 8. Сравнительные картины траекторий капель жидкости различного диаметра при впрыске с передней стенки в плоскости симметрии исследованных патрубков
в зоне влияния 2
(линии тока воздуха даны в плоскостях симметрии патрубков)
Рис. 9. Сравнительные картины траекторий капель жидкости различного диаметра при впрыске с внутреннего конуса в плоскости симметрии исследованных патрубков
в зоне влияния 2 (линии тока воздуха даны в плоскостях симметрии патрубков)
рисунке отчетливо видно эжектируюшее влияние струи воздуха, вытекающей из кольцевой камеры, на капли впрыскиваемой жидкости в патрубке 2: происходит расслоение траекторий капель в зависимости от их диаметра. Как и следовало ожидать, наибольшее отклонение испытывают капли меньшего диаметра (50 мкм).
В патрубке 1 ничего подобного не наблюдается: проекции траекторий капель различного диаметра (50 и 100 мкм) на плоскость, перпендикулярную оси компрессора, (рис. 8) практически совпадают. Следует заметить, что это отнюдь не означает идентичности траекторий в пространстве.
Расчеты показывают, что капли большего диаметра (массы) проникают в поток глубже и в меньшей степени подвержены воздействию со стороны потока воздуха. Это наглядно демонстрируют рис. 8 и 9.
Данные, приведенные на рис. 7-9, показывают, что использование конструкции узла соединения 2 по сравнению с простым фланцевым соединением заметно изменяет траектории ка-
пель моюшей жидкости и эффективность работы всей системы промывки.
На основании изложенного можно утверждать, что системы промывки компрессоров должны проектироваться индивидуально даже для ГТУ, одинаковых по конструкции, но с различными стыковочными соединениями элементов воздухоподводящего тракта.
Весьма незначительные в масштабах всасывающего патрубка компрессора газотурбинной установки ГТЭ-160 ЛМЗ размеры дополнительных элементов узла соединения воздуховода с патрубком могут оказать существенное влияние на структуру потока в патрубке и работу системы промывки на ходу проточной части компрессора от загрязнения.
Для разработки высокоэффективных систем промывки компрессоров на ходу проектирование и анализ работы этих систем должны производиться с учетом всех конструктивных особенностей воздушного тракта, предшествующих по потоку всасывающему патрубку.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Mund, F.C. A review of gas turbine online washing systems [Текст] / F.C. Mund, P. Pilidis // Proceedings of AS ME Turbo Expo 2004. Power for Land, Sea, and Air.— June 14-17, 2004,— Vienna, Austria.
2. Stalder, J.-P. Gas turbine compressor washing state of the art - field experiences. AS ME [Текст] / J.-P. Stalder// Paper 98-GT-420. Presented at the Inter/
GT-Aeroengine Congress, Stockholm, Sweden.— 2— 5 June. 1998.
3. Fluent 6.3 Documentation. User's Guide [Текст] / Fluent Inc.- 2006-10-12.
4. Ольховский, Г.Г. Газовые турбины для энергетики [Текст] / Г.Г. Ольховский // Теплоэнергетика,- 2004. № 1,- С. 33-43.
